红外线测温仪原理及应用

红外线测温仪原理及应用 摘要：测量温度的有很多种，温度计大致可以分为接触式测温仪表和非接触 式测温仪表两类。其中接触式的有我们熟悉的液体式温度计，热电偶式温度计和 热电阻式温度计等等。 关键词：红外线 测温 辐射 光纤 众所周知，温度是供热，供燃气，通风及空调系统中最重要的参数之一。尤其在 热工测量过程中，温度的精准程度往往是决定实验成败的关键。因此，一个精确 度高的测温仪器在工程中是必不可少的。因此本文就温度测量工具中的红外线测 温仪的原理及应用进行一些介绍。 一，红外测温的理论原理 在自然界中，当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在，就会不 断的向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于 0.75μm~100μm 的红外线。他最 大的特点是在给定的温度和波长下，物体发射的辐射能有一个最大值，这种物质 称为黑体，并设定他的反射系数为 1，其他的物质反射系数小于 1，称为灰体， 由于黑体的光谱辐射功率 P(λＴ)与绝对温度 T之间满足普朗克定。说明在绝对 温度 T下，波长λ处单位面积上黑体的辐射功率为 P(λＴ)。根据这个关系可 以得到图 1的关系曲线，从图中可以看出： （1)随着温度的升高，物体的辐射能量越强。这是红外辐射理论的出发点，也是 单波段红外测温仪的设计依据。 （2)随着温度升高，辐射峰值向短波方向移动（向左)，并且满足维恩位移定理 ， 峰值处的波长 与绝对温度 T成反比，虚线为 处峰值连线。这个告诉我们为 什么高温测温仪多工作在短波处，低温测温仪多工作在长波处。 （3)辐射能量随温度的变化率，短波处比长波处大，即短波处工作的测温仪相对 信噪比高（灵敏度高），抗干扰性强，测温仪应尽量选择工作在峰值波长处，特 别是低温小目标的情况下，这一点显得尤为重要。 二，红外线测温仪的原理 红外测温仪由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输出等 部分组成。被测物体和反馈源的辐射线经调制器调制后输入到红外检测器。两信 号的差值经反放大器放大并控制反馈源的温度，使反馈源的光谱辐射亮度和物体 的光谱辐射亮度一样。显示器指出被测物体的亮度温度 三，红外线测温仪的性能指标及作用 测温范围，显示分辩率，精度，工作环境温度范围，重复性，相对湿度，响应时 间，电源 响应光谱，尺寸，最大值显示，重量，发射率等 1，确定测温范围：测温范围是测温仪最重要的一个性能指标。每种型号的测温 仪都有自己特定的测温范围。因此，用户的被测温度范围一定要考虑准确、周全， 既不要过窄，也不要过宽。根据黑体辐射定律，在光谱的短波段由温度引起的辐 射能量的变化将超过由发射率误差所引起的辐射能量的变化。 2，确定目标尺寸:红外测温仪根据原理可分为单色测温仪和双色测温仪（辐射比 色测温仪）。对于单色测温仪，在进行测温时，被测目标面积应充满测温仪视场。 建议被测目标尺寸超过视场大小的 50%为好。如果目标尺寸小于视场，背景辐射 能量就会进入测温仪的视声符支干扰测温读数，造成误差。相反，如果目标大于 测温仪的视场，测温仪就不会受到测量区域外面的背景影响。对于双色测温仪， 其温度是由两个独立的波长带内辐射能量的比值来确定的。因此当被测目标很 小，不充满视场，测量通路上存在烟雾、尘埃、阻挡，对辐射能量有衰减时，都 不对测量结果产生重大影响。对于细小而又处于运动或震动之中的目标，双色测 温仪是最佳选择。这是由于光线直径小，有柔性，可以在弯曲、阻挡和折叠的通 道上传输光辐射能量。 3，确定距离系数（光学分辨率）：距离系数由 D：S之比确定，即测温仪探头到 目标之间的距离 D与被测目标直径之比。如果测温仪由于环境条件限制必须安装 在远离目标之处，而又要测量小的目标，就应选择高光学分辨率的测温仪。光学 分辨率越高，即增大 D：S比值，测温仪的成本也越高。如果测温仪远离目标， 而目标又小，就应选择高距离系数的测温仪。对于固定焦距的测温仪，在光学系 统焦点处为光斑最小位置，近于和远于焦点位置光斑都会增大。存在两个距离系 数。 4，确定波长范围 ：目标材料的发射率和表面特性决定测温仪的光谱相应波长对 于高反射率合金材料，有低的或变化的发射率。在高温区，测量金属材料的最佳 波长是近红外，可选用 0.8～1.0μm。其他温区可选用 1.6μm,2.2μm 和 3.9μm。 由于有些材料在一定波长上是透明的，红外能量会穿透这些材料，对这种材料应 选择特殊的波长。 5，确定响应时间：响应时间表示红外测温仪对被测温度变化的反应速度，定义 为到达最后读数的 95%能量所需要时间，它与光电探测器、信号处理电路及显示 系统的时间常数有关。如果目标的运动速度很快或测量快速加热的目标时，要选 用快速响应红外测温仪，否则达不到足够的信号响应，会降低测量精度。然而， 并不是所有应用都要求快速响应的红外测温仪。对于静止的或目标热过程存在热 惯性时，测温仪的响应时间就可以放宽要求了。 6，信号处理功能：鉴于离散过程（如零件生产）和连续过程不同，所以要求红 外测温仪具有多信号处理功能（如峰值保持、谷值保持、平均值）可供选用，如 测温传送带上的瓶子时，就要用峰值保持，其温度的输出信号传送至控制器内。 否则测温仪读出瓶子之间的较低的温度值。若用峰值保持，设置测温仪响应时间 稍长于瓶子之间的时间间隔，这样至少有一个瓶子总是处于测量之中。 7，环境条件考虑：测温仪所处的环境条件对测量结果有很大影响，应予考虑并 适当解决，否则会影响测温精度甚至引起损坏。当环境温度高，存在灰尘、烟雾 和蒸汽的条件下，可选用厂商提供的保护套、水冷却、空气冷却系统、空气吹扫 器等附件。这些附件可有效地解决环境影响并保护测温仪，实现准确测温。在确 定附件时，应尽可能要求标准化服务，以降低安装成本。 8，红外辐射测温仪的标定：红外测温仪必须经过标定才能使它正确地显示出被 测目标的温度。如果所用的测温仪在使用中出现测温超差，则需退回厂家或维修 中心重新标定。 四，影响红外测温仪的主要因素 1、测温目标大小与测温距离的关系：在不同距离处，可测的目标的有效直径 D 是不同的，因而在测量小目标时要注意目标距离。红外测温仪距离系数 K的定义 为：被测目标的距离 L与被测目标的直径 D之比，即 K=L/D 2、选择被测物质发射率：红外测温仪一般都是按黑体（发射率ε=1.00）分度 的，而实际上，物质的发射率都小于 1.00。因此，在需要测量目标的真实温度 时，须设置发射率值。物质发射率可从《辐射测温中有关物体发射率的数据》中 查得。 3、强光背景里目标的测量：若被测目标有较亮背景光（特别是受太阳光或强灯 直射），则测量的准确性将受到影响，因此可用物遮挡直射目标的强光以消除背 景光干扰。 4、小目标的测量 ⑴ 应将测温仪固定在三角架（可选附件）上 ⑵ 需要精确调焦，即：用目镜中小黑点对准目标（目标应充满小黑点），将镜 头前后调整，眼睛稍微晃动，如果被测小黑圆点之间没有相对运动，则调焦就已 完成 5.温度输出功能 （1）数字信号输出——RS232、RS485，温度信号远传 （2）模拟信号输出——0～5V，1～5V，0～10V，0/4～20 毫安，可以加入闭环 控制中。 （3）高报警、低报警─生产过程中要求控制温度在某个范围里,可设置高,低报 警值。高报警：在高报警设置打开的情况下，当温度高于高报警值，相应的 LED 灯闪烁，蜂鸣器响，并有 AH 常开继电器接通。 五，红外测温仪的特点 1.非接触测量：它不需要接触到被测温度场的内部或表面，因此，不会干扰被测 温度场的状态，测温仪本身也不受温度场的损伤。 2.测量范围广：因其是非接触测温，所以测温仪并不处在较高或较低的温度场中， 而是工作在正常的温度或测温仪允许的条件下。一般情况下可测量负几十度到三 千多度。 3.测温速度快：即响应时问快。只要接收到目标的红 外辐射即可在短时间内定温。 4.准确度高：红外测温不会与接触式测温一样破坏物体本身温度分布，因此测量 精度高。 5.灵敏度高：只要物体温度有微小变化，辐射能量就有较大改变，易于测出。可 进行微小温度场的温度测量和 6.温度分布测量，以及运动物体或转动物体的温度测量。使用安全及使用寿命长。 六，红外线测温仪的缺点 1.易受环境因素影响（环境温度，空气中的灰尘等） 2.对于光亮或者抛光的金属表面的测温读数影响较大 3.只限于测量物体外部温度，不方便测量物体内部和存在障碍物时的温度 七，红外测温仪的使用注意事项 （1）必须准确确定被测物体的发射率; （2）避免周围环境高温物体的影响; (3）对于透明材料，环境温度应低于被测物体温度; (4）测温仪要垂直对准被测物体表面，在任何情况下，角度都不能超过 30℃ (5）不能应用于光亮的或抛光的金属表面的测温，不能透过玻璃进行测温; (6）正确选择跟离系数，目标直径必须充满视场; (7）如果红外测温仪突然处于环境温度差为 20℃ 或更高的情况下，测量数据将 不准确，温度平衡后再取其测量的温度值。. 八，改进 由于普通红外测温仪只限于测量物体外部温度，不方便测量物体内部和存在障碍 物时的温度，所以可以在其检测头部加一段光导纤维，并在其前端装一个小视角 的透镜，这样被测物体的辐射能经过透镜到光导纤维内部。在光导纤维里面经过 多次反射传至检测器。因为光纤可以自由弯曲，使辐射能自由转向，这就解决了 物体内部温度的测量问题，可以测量有障碍物挡住的角落等地方的温度。 例如，在塑料挤压机内测量塑料温度，涡轮机内通过静叶片的空隙来测量动叶片 的最高温度和平均温度，并可以带有多个探头进行循环检测。 1，光纤红外测温的原理 光纤传光原理是光在不同介质中的全反射现象。光从光密介质像光疏介质传播 时，光会在边界全部折回光密介质。光在纤心中就会曲折前进，而不会泄露。 2，结构图 被测物体的红外辐射经红外探头透镜汇聚到光纤前端，通过光纤传输及红外滤光 片过滤后的红外能量，被红外探测器接收并转换成相应的电信号，此电信号经电 子线路的放大、线性化处理后以标准的信号输出方式 3.采光纤测温的优点 （1）光纤测头耐温高，可以安装在环境温度较高的场合 （2）通过光纤传输红外能量，使红外探头与电子处理模块隔离，使信号处理单 元受环境影响降至最小。 （3）光纤测头传送红外辐射热能信号完全不受电磁场干扰，特别适合在中高频 感应加热设备等强电磁场环境下使用 （4）可以自由弯曲，使辐射能自由转化，可以测量有障碍物挡住的角落等地方 的温度